核电厂用水流程设计优化实例

于 淼，顾 钰，杨振宇，万维进，桂璐廷

核电厂用水流程设计优化实例

于 淼，顾 钰，杨振宇，万维进，桂璐廷

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

针对核电厂总体用水量大，用水去向不明确，废水综合利用不彻底等问题，本文以某核电厂初可研阶段用水设计为研究基础，结合生产经验，对用水排水流程进行了优化。通过对全厂采用高效节水措施和废水综合利用工艺，实现废水的梯级利用、分类处理、分质回用。用水流程优化后，降低了核电厂淡水取水量，保证了全厂节水及废水的综合利用，为该核电厂后续水工、化学设计提供参考。

核电厂；节水；化学设计；废水综合利用

核电厂厂址的选择有较大局限性，必须在特定的区域内选择合适的厂址。目前，许多缺水或供水能力不足的地区需要建设核电厂，当地水资源不能满足常规核电对用水量的需求[1]。因此，如何通过优化用水流程实现节水及废水回用，直至最终全厂废水的零排放，是核电规划建设中必须解决的问题。目前国内外对于优化电厂的用水流程，火电厂研究颇多，核电厂鲜有报道。

本研究结合某核电厂初可研阶段用水流程实例，分析了核电厂节水措施和废水综合利用工艺在具体工程实践中的应用，为该核电厂后续水工、化学设计提供参考。

1 某核电厂初可研阶段用水设计现状

该电厂采用城市污水处理厂及再生水厂中水作为全厂工业水源，经废水处理站深度处理后用于冷却水系统补水、除盐水制备等。采用水库水作为施工和运行期间生活用水。凝汽器采用表凝式间接空冷系统冷却。辅机冷却及重要厂用水采用二次循环的机械通风冷却塔冷却。

含油废水经除油处理装置处理后返回废水处理站处理；精处理再生废水，空冷岛回水，部分生活污水处理系统出水返回废水处理站处理，除盐水系统废水全部返回废水处理站处理；冷却塔排污水进入废水处理站，处理达标后再次作为工业水源。水量平衡图如图1所示，各用排水工艺在初可研阶段尚未给出。

图1　四台机组正常运行时设计水量平衡图

水平衡图显示，辅机冷却塔平均日补水量为 7 200 m3/d，蒸发及风吹损失水量为5 280 m3/d，冷却塔排污水量为1 920 m3/d，该系统循环水总量为4×3 850 m3/d，按风吹损失率 0.05%计，风吹损失水量计算值约为185 m3/d，蒸发损失水量约为5 095 m3/d，据此计算可知辅机冷却塔循环水设计浓缩倍率约为3.42倍，计算公式如下：

重要厂用水系统冷却塔平均日补水量为4 800 m3/d，蒸发及风吹损失水量为3 360 m3/d，冷却塔排污水量为1 440 m3/d，该系统循环水总量为4×2 700 m3/d，按风吹损失率0.05%计，风吹损失水量计算值约为130 m3/d，蒸发损失水量约为3 230 m3/d，据此计算可知重要厂用水冷却塔循环水设计浓缩倍率为3.06倍，计算公式如下：

目前该设计方案中存在的主要问题：

（1）原设计中城市污水处理厂及再生水厂中水、冷却塔排污水、除盐水系统回水、精处理再生废水、含油废水及其他生产废水，部分生活污水处理系统出水，空冷岛回水等均在一座废水处理站进行集中处理。但这些水的水源和水质各有不同，该设计仅考虑了水量的平衡，没有考虑废水“分类收集，分质处理回用”的原则和盐量平衡问题。

（2）根据原设计数据，重要厂用水系统冷却塔和辅机冷却塔的设计浓缩倍率分别为3.06倍和3.42倍，浓缩倍率偏低，可根据实际水质检测结果确定是否可以进一步提高浓缩倍率。

（3）各系统用排水工艺没有给出。

2　用水流程优化

2.1　用水流程优化原则及方案的确定

针对初可研用水设计方案的问题，将用水流程优化原则确定为：提高循环水浓缩倍率，对工业废水分类回收、分质处理，实现阶梯用水，最终实现节水及废水的综合利用[2]。

因此，废水处理站应设置不同的废水处理系统，可进行如下优化：

中水处理系统：处理城市污水处理厂及再生水厂来中水，以及相似水质的废水，如含油废水处理系统出水及生产废水、除盐水系统过滤设备自用水、空冷岛回水等。出水作为冷却塔补水、除盐水制备系统水源及生产用水；

冷却塔排污水处理系统：处理重要厂用水系统冷却塔排污水、辅机冷却塔排污水，以及相似水质的其他废水，如除盐水制备系统反渗透浓水、离子交换器再生废水。出水作为冷却塔补水；

精处理再生废水处理系统：处理凝结水精处理再生废水；

雨水处理系统：将厂区雨水收集系统收集的雨水进行深度处理，出水回用于冷却塔补水；

零排放系统：对末端废水进行浓缩、固化处理；

污泥处理系统：设置污泥池收集各系统排出的污泥，上清液回至相应系统入口，浓缩污泥用压滤机分别进行压滤，滤液分别回至相应系统入口，泥饼外运处理。

2.2　冷却水系统优化及冷却塔排污水回用

2.2.1冷却水系统优化

根据原设计数据，重要厂用水系统冷却塔和辅机冷却塔的设计浓缩倍率分别为3.06倍和3.42倍，耗水量8 640 m3/d。通过对城市污水处理厂中水水质分析，结果如表1所示。

表1　城市污水处理厂中水主要水质分析结果

表1中水质分析数据表明水为中等含盐量水，碱度、硬度也较高；COD、氨氮和总磷含量未达到城镇污水排放一级B排放标准的设计要求[3]。该水质的水必须经过深度处理后才能用作冷却塔补水[4]。根据实际运行经验，中水采用石灰-混凝工艺处理后，预计冷却塔浓缩倍率可提高至5倍（具体浓缩倍率建议通过模拟试验确定）。冷却塔补水及排水水质预测指标如表2所示。

表2　冷却塔补水及排水水质预测

续表

水质指标单位冷却塔补水冷却塔排水 溶解总固体mg/L≤800≤4 000 CODmg/L≤40— 氨氮mg/L≤5— 总磷（以P计）mg/L≤0.50—

通过对冷却水系统进行优化，将冷却塔浓缩倍率提高至5倍，辅机冷却塔排污水量将由设计值1 920 m3/d降低至1 089 m3/d，重要厂用水冷却塔排污水量将由设计值1 440 m3/d降低至678 m3/d。与优化前相比，冷却塔排污水量可减少1 593 m3/d。

2.2.2冷却塔排污水回用

冷却水系统运行优化后，冷却塔排污水量为1 767 m3/d，其经过循环、浓缩，含盐量、硬度、COD等有机污染物含量均较高，其水质与除盐水制备系统再生废水和除盐水制备系统反渗透浓水水质类似，可共同预处理后经过反渗透脱盐回用。具体工艺方案如图2所示。

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图2　冷却塔排污水处理工艺方案

排污水和反渗透浓水混合后通过臭氧—生物活性炭工艺降低有机物含量。臭氧生物活性炭出水与除盐水制备系统再生废水混合后进入高密度沉淀池进行软化，软化后出水采用超滤进行过滤，超滤系统自用水率为10%。高密度沉淀池排泥采用污泥脱水机脱水，脱出水与超滤系统自用水回至高密度沉淀池前，脱水后干泥外运。超滤出水进入反渗透系统浓缩脱盐，反渗透回收率80%，反渗透产水作为冷却塔补水，反渗透浓水进入纳滤系统进一步浓缩。纳滤系统控制回收率为50%，纳滤产水回至反渗透系统，纳滤浓水送至零排放系统。

该工艺方案能有效降低来水有机物含量，有利于提高后续软化工艺混凝澄清效果。通过高密度沉淀池使软化后出水致垢离子含量小于10 mg/L，有利于提高后续反渗透系统回收率。整体工艺可达到回收率90%。

2.3　除盐水系统废水回用

除盐水制备系统废水包括过滤设备自用水、反渗透浓水、混床再生废水。除盐水制备系统设计产水水量为7 700 m3/d，按照反渗透回收率75%、过滤设备自用水率10%[5]计算，过滤设备自用水水量为1 141 m3/d；反渗透浓水水量为2 567 m3/d。再生废水离子主要由阴树脂、阳树脂再生过程带入，混合后主要为NaCl盐溶液，不同种类废水主要水质预测指标如表3所示。

表3　除盐水制备系统不同种类废水主要水质估算结果

除盐废水回收工艺方案如图3所示，将除盐水制备系统中含盐量相近的反渗透浓水和再生废水回至冷却塔排污水处理系统进行处理，过滤设备自用水水质悬浮物含量会有所增高，因此将该部分废水回至中水处理系统进行处理。

图3　除盐水制备系统废水处理工艺方案

2.4　精处理再生废水回用

精处理再生用水水源为除盐水，水量为1 360 m3/d。该部分高盐废水所占比例为30%，其余70%再生废水为低盐废水。按此计算，高盐废水水量为408 m3/d，低盐废水水量为952 m3/d。根据生产经验，精处理再生废水水质预测如表4所示。

表4　精处理再生废水水质

再生过程中树脂输送、树脂清洗以及阴、阳树脂分离及正洗等阶段的排水均为低含盐废水，有潜在放射性污染的工业废水应送至常规岛废液排放系统进行放射性检测[6]，若总γ小于2.24 Bq/L，可以分段回收，直接回用；阴、阳树脂再生进酸碱及置换阶段的排水为高含盐废水，送至常规岛废液排放系统进行放射性检测，若总g小于2.24 Bq/L，可收集后进一步处理。精处理再生废水回用工艺如图4所示。

图4　精处理再生废水处理工艺方案

精处理再生废水高盐废水及低盐废水分段回收，低盐废水进入低盐废水池，由于其水质与除盐水水质接近，但悬浮物含量增高，因此将其回至除盐水制备系统过滤设备前。高盐废水进入高盐废水池调节pH后，经砂滤、超滤进行过滤，过滤系设备自用水率为15%。过滤后出水进入反渗透系统进行浓缩脱盐，设计反渗透回收率为70%，反渗透产水部分用于本系统过滤设备自用水，部分回至冷却塔作为冷却塔补水，反渗透浓水进入零排放系统。过滤设备自用水回至中水处理系统。

2.5　生活污水回用

生活污水的特点是COD、BOD5、细菌及氮、磷含量较高，其他水质指标与水源接近。该厂水库水的水质分析结果如表5所示。

表5　水库水主要水质指标[7]分析结果

2.6　生产废水回用

该核电厂生产废水主要有含油废水和其他非放射性生产废水。

2.6.1含油废水回用

含油废水处理系统处理达标后，其主要水质指标与中水相近，仅石油类含量（≤5 mg/L）高于中水（一级A排放标准要求≤1 mg/L）可送回中水处理系统，200 m3/d的含油废水与大流量的中水混合均质后，石油类含量远低于一级A排放标准，再经过中水深度处理系统处理，预计出水完全可以满足冷却塔补水、生产用水等系统的水质要求。

2.6.2其他非放射性生产废水回用

生产用水主要用作重要厂用水设备轴承冷却水、地面冲洗水及消防水池补水等。其他非放射性生产废水主要来源是实验室排水、消防演练排水、卫生间及洗衣房排水、重要厂用水设备轴承冷却排水[8]等，这些水通过底坑或相应收集管道进行收集，其水源均为中水，与水源相比，主要水质变化是悬浮物含量或水温有所升高，或者与生活污水水质相近，可回收至中水深度处理系统进一步处理。

2.7　雨水回用

雨水水质与集流面材料、土壤地质条件等因素都有关系。降雨初期空气中大量的灰尘等物质被雨水洗涤，雨水中各项指标浓度均较高，不适合收集。经过初期雨水截污、弃流处理后收集的雨水相对比较洁净，但仍含有一定量的COD、悬浮物颗粒及硬度离子等，预计含盐量将高于中水，建议在废水处理站设置雨水处理系统，将收集后的雨水进行处理。

根据雨水的水质特点，雨水处理系统可采用生物—混凝澄清—过滤—超滤—反渗透处理工艺，反渗透产水回用至冷却塔，反渗透浓水送至冷却塔排污水处理系统处理；考虑节水，生物处理单元、过滤器及超滤反洗水均回至澄清池，澄清池排泥水可送至废水处理站的污泥处理系统处理。

2.8　优化后全厂用水流程图

通过优化，全厂用水流程如图5所示。

3 结论与建议

（1）以节水及废水综合利用为目的的用水流程优化在国内尚属先例，通过控制好循环水浓缩倍率和废水阶梯利用、分类处理、分质回用，可实现了一定的社会和经济效益。

（2）本优化的基础是初可研阶段全厂水量平衡图，其中常规岛水量损耗与笔者经验相差较大，常规岛水量损耗远远大于实际运行机组的水量损耗，此处对全厂节水量的影响也很大，建议在适当条件下开展同类型已投运核电厂全厂水量平衡测试与研究，为修正水量设计值提供依据。

（3）本设计优化将重要厂用水冷却塔和辅机冷却塔浓缩倍率由约3倍提高到了5倍，降低了补水量和排污水量。然而，考虑到冷却水系统可采用高等级的耐腐蚀金属材料，冷却塔浓缩倍率仍有进一步提高的可能性，但需通过模拟试验进行评估论证，建议在后续设计阶段开展相应工作。

图5　优化后全厂用水流程图

［1］ 刘达，黄本胜，邱静，等. 内陆核电水资源管理政策的初步探讨［J］. 水利发展研究，2012（5）：39-41.

［2］ 刘炳伟，徐秀萍，陈周燕，等. 某发电厂节水及废水综合利用改造实例［J］. 工业水处理，2019，39（9）：111-115.

［3］ 城镇污水处理厂污染物排放标准：GB 18918—2002［S］. 北京：中国标准出版社，2002.

［4］ 工业循环冷却水处理设计规范：GB 50050—2017［S］. 北京：中国标准出版社，2017.

［5］ 发电厂化学设计规范：DL/T 5068—2014［S］. 北京：中国电力出版社，2014.

［6］ 核电厂常规岛设计规范：GB/T 50958—2013［S］. 北京：中国计划出版社，2013.

［7］ 地表水环境质量标准：GB 3838—2002［S］. 北京：中国标准出版社，2002.

［8］ 火力发电厂废水治理设计技术规程：DL/T 5046—2006［S］. 北京：中国电力出版社，2006.

Optimization Example of Water Flow Design in Nuclear Power Plant

YU Miao，GU Yu，YANG Zhenyu，WAN Weijin，GUI Luting

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co.，Ltd，Shanghai 200233，China）

Nuclear power plants face problems such as the large water consumption, unclear water destination and utilization deficiency of wastewater. Based on the water design in the initial feasibility study stage and production experience, the water use and drainage process is optimized in this paper. High efficiency water-saving methods and comprehensive utilization technologies of wastewater are applied to achieve the step utilization, classification and reuse of wastewater. After the optimization of the water use process, the fresh water intake of the nuclear power plant is reduced, and the water saving methods and comprehensive utilization of the wastewater are applied in the whole plant. The paper provides a reference for the subsequent hydraulic and chemical design of the nuclear power plant.

Nuclear power plant; Water saving; Plant chemical design; Comprehensive utilization of wastewater

TL329

A

0258-0918（2023）05-1027-07

2022-08-17

于 淼（1983—），男，吉林扶余人，工程硕士，现主要从事核电厂化学环保方面研究